Đồ án thiết kế mô hình hệ thống chiết chai di động

T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

PHẦN I

C

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC VÀ

89

07

M

K

ĐỘNG CƠ BƯỚC

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 1


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
I. Giới thiệu về động cơ một chiều
1. Khái niệm
Ngày nay, mặc dù điện xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi. song máy

C

điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ điện một chiều.
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi cần

K

momen mở máy lớn hoặc trong yêu cầu điều chỉnh tốc độ và phạm vi rộng.
Trong các thiết bò tự động, các máy điện khuếch đại, các động cơ chấp

M

hành cũng là máy điện một chiều. Ngoài ra, các máy điện một chiều còn thấy
trong các thiết bò ô tô, tàu thủy, máy bay, các máy phát điện một chiều điện áp

07

thấp dùng trong thiết bò điện hóa, hàn điện với chất lượng cao.
Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là có cổ góp làm cho cấu
tạo phức tạp, đắc tiền , kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ. Khi

2. Nguyên lý làm việc

89

sử dụng động cơ một chiều cần phải có nguồn một chiều kèm theo.
Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần
ứng có dòng điện Iư . các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ
chòu lực Fđt tác động làm cho rô to quay. Chiều lực xác đònh theo qui tắc bàn tay

trái.
Phương trình điện áp:
U = + Rư Iư .
Trong đó:

là sức phản điện.
Iư là dòng điện trong dây quấn phần ứng
Rư là điện trở của dây quấn phần ứng.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 2


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
U là điện áp đưa vào.
Sức điện động của động cơ điện một chiều:
Fu'

Trong đó :

PN
n
60a

p là số đôi cực từ chính.
N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần cứng.
a là số đôi cực nhánh song song của cuộn dây.
n là tốc độ quay (vòng / phút).

C

 là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb).

Mômen điện từ của động cơ:
PN
.I u . 
2 .a

M

K

M dt 

Momen điện từ là momen quay, cùng chiều với tốc độ quay n.

07

3. Điều chỉnh tốc độ

Ta có phương trình: = U – Rư Iư
= kE . . n

Ta có phương trình tốc độ:

89

Thay trò số

Ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ:

n 


U  Ru , I u ,
K E .

Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng:

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ sẽ giảm. Tổn hao trên
phần ứng lớn nên chỉ số sử dụng với động cơ công suất nhỏ.


Thay đổi điện áp U:

Nguồn điện một chiều điều chỉnh được dùng để cung cấp điện áp
cho động cơ. Phương pháp này được sử dụng nhiều.
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 3


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
Thay đổi từ thông:



Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.
Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp trên với nhau.

Ví dụ: phương pháp thay đổi từ thông kết hợp với phương pháp thay
đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng. Đây là ưu điểm lớn của động
cơ điện một chiều.

4. Đặc tính động cơ điện kích từ song song
Iư

A1 Ikt

C
+
-

F1
+

+
-

K

F2

A2

M

Kích từ song song

Đường đặc tính cơ: n = f(M)

07

Ru,
U

I ,
K E
K E u

n 



I u, 
n

M
K M .

89

Ta có : M = KM . Iư .

U  Ru ,
M
K E . K E .K M . 2

Để thay đổi tốc độ ta thêm điện trở Rp
n

R ,  RP
U
 u
M
K E . K E .K M . 2

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 4


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
n
RP = 0
RP  0

Đường đặc tính cơ



M

Đặc tính làm việc:

Đặc tính làm việc được xác đònh khi điện áp và dòng điện kích từ

C

không thay đổi. Đó là các quan hệ giữa tốc độ n, momen M, dòng điện

phần ứng Iư và hiệu suất  theo công suất có trên trục P2 :

K
In

n

Iư

07

M



M

89

P2

Ta thấy đặc tính cơ cứng và tốc độ rất ít thay đổi khi P 2 thay đổi nên
được dùng trong máy cắt kim loại, máy công cụ. Điều chỉnh tốc độ với yêu
cầu cao sẽ được dùng động cơ kích từ độc lập.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 5

T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

5. Đặc tính động cơ điện kích từ độc lập
Iư

Ikt
+

+
-

V

+
-

-

Vkt

Kích từ độc lập
Ưu điểm: khi làm việc máy không bò ảnh hưởng bởi Ikt

C

Nhược: tốn kinh phí do nguồn kích.

K

6. Đặc tính động cơ điện kích từ nối tiếp

Iư

M

V

+
-

+

Kích từ nối tiếp
I = IƯ = Ikt
Đặc tính cơ:

n = f(M)

89

07

-

Iư = kI .
M = kM. IƯ.  = kM. kI. 2 = k2. 2 hay
Với

k

 Mk

kM
kI

Ta có:
n

k .U
kE . M

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH



k I .R u '
kE

Trang 6


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
n

n

M

Đặc tính cơ

Phương trình đặc tính có dạng Hyperpon _ đặc tính cơ mềm, dễ thay

C

đổi tốc độ hơn kích từ song song. Nhưng dễ gây hỏng động cơ khi tăng tốc
độ. Do đó, không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải

K

hoặc tải nhỏ.

 Đặc tính làm việc:

I

07

M
ngh

M



89

n

P2

Vùng làm việc

Động cơ làm việc với tốc độ n nhỏ hơn ngh.
Khi chưa bão hòa momen quay động cơ tỷ lệ với bình phương dòng
điện, tốc độ giảm theo tải, động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ
tải nặng nề.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 7


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

7. Đặc tính động cơ điện kích từ hỗn hợp
Iư

+
Kích từ hổn hợp

n

4

C
1

3

2

M

K
Đặc tính cơ

M

07

Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều)
làm tăng từ thông, hoặc nối ngược (từ trường 2 dây quấn ngược nhau) làm giảm

89

từ thông.

Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung
bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ somg song (đường 2) và nối tiếp (đường
3) ở hình trên.

Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây kích từ
chính, dây quấn kích từ song song là phụ và nối thuận. Dây quấn kích từ song
song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi M nhỏ.
Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối
ngược, có đặc tính rất cứng (đường 4), tốc độ hầu như cố đònh khi momen thay
đổi. Thích hợp với các động cơ yêu cầu tốc độ ít thay đổi.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 8

T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC
Trong công nghiệp đòi hỏi có nhiều cấp tốc độ khác nhau, tùy theo yêu
cầu cần thiết mà người ta chọn cấp tốc độ này hay cấp tốc độ khác. Để có các
cấp tốc độ khác nhau, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền
hay thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động.
Thông thường để chỉnh tinh tốc độ ta dùng phương pháp thay đổi tốc độ
của động cơ truyền động, các phương pháp điều chỉnh sau:

1. Điều chỉnh các thông số ở mạch của máy điện
Điều chỉnh điện trở của mạch phần ứng.

-

Điều chỉnh kích từ của động cơ.

C

-

Phương pháp điều chỉnh này có tốc độ cứng, đặc tính cơ giảm nên độ chính

K

xác trong việc duy trì tốc độ không cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp, độ tinh
điều chỉnh kém. Khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tốc độ tăng và mement ngắn

M

mạch giảm, nghóa là độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém.
Phương pháp này không được khuyến khích thực hiện.

phần ứng động cơ.

07

2. Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho
Hệ thống máy phát- động cơ.

-

Hệ biến đổi van điều khiển (SCR)-động cơ.

-

Hệ điều áp van _ từ _ động cơ (khuếch đại từ _ động cơ).

-

Hệ điều áp nguồn _ động cơ.

89

-

Về các chỉ tiêu kỹ thuật và năng lượng thì phương pháp điều áp xung được
đánh giá tốt.
Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghóa là có thể điều

chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khi không tải lý tưởng. Đặc tính cơ
điều chỉnh đảm bảo được sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh
rộng và tổn hao năng lượng thấp. Bởi vì đặc tính cơ của phương pháp tuy mềm
hơn đặc tính cơ tự nhiên nhưng cứng hơn khi dùng phương pháp điều chỉnh thông
số. Mặt khác vì phần tử điều chỉnh đặc trong mạch điều khiển của bộ biến đổi là
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 9


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
mạch có công suất nhỏ, nên độ tinh chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả
năng cải thiện thành hệ tự động vòng kín.
Nhược điểm: là phải dùng bộ biến đổi phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản và
vận hành phí cao. Tuy nhiên với các ưu điểm trên, phương pháp này tạo được
năng suất cao, tổn thất năng lượng ít do đó được sử dụng rộng rãi.

3. Điều chỉnh sơ đồ
-

Sơ đồ phân mạch phần ứng.

-

Sơ đồ dùng hai động cơ DC liên kết nối cứng với nhau.

-

Sơ đồ dùng hai động cơ liên kết nối hở với nhau.

C

4. Phương pháp điều rộng xung
Điện áp ra bao gồm những xung có bề rộng thay đổi được và biên độ là

K

hằng số. Yêu cầu là mạch có khả năng đóng ngắt ở tần số cao, có thể đóng ngắt
riêng cho từng ngắt khác nhau. Các loại mạch này thích hợp cho các mạch động

M

lực dùng transistor công suất, việc đóng ngắt nhiều lần, nếu ta thay đổi được các
độ rộng xung trong một chu kỳ thì ta có thể hạn chế được sóng hài bậc cao.

07

Với những nhận xét ưu điểm của bốn phương pháp điều chỉnh trên ta nhận
thấy: Để điều chỉnh tốc độ động cơ DC cần có dải điều chỉnh rộng, đòi hỏi chất
lượng điều chỉnh cao, ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng

89

phương pháp điều rộng xung nghóa là thay đổi được ton và fxung= 1/T = const.

III. CHỈ TIÊU CHẤT LƯNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Một hệ thống truyền động điện điều chỉnh có thể là tự động nếu có dùng
các khâu hồi tiếp để lập thành vòng kín hoặc là bán tự động khi chỉ điều khiển
vòng hở và chỉ bằng tay.
Chất lượng của hệ được đánh giá nhờ các chỉ tiêu sau đây:

1. Sai số tónh tốc độ
Sai số tónh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ
đặt. Nó là giá trò tương đối của độ sụt tốc ứng với tải đònh mức so với tốc độ đặt
khi không tải lý tưởng.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 10


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
S% =

 od  
100%
 od

(1-1)

Trong đó:


: Tốc độ ứng với tải đònh mức.

 od

: Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trò đặt.

Vì đặc tính cơ của hệ thống là đường thẳng nên ta có quan hệ:

 

MC

S% 

MC
 . od



C

(1-2)

K

Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ , tốc độ đặt
khi không tải lý tưởng od và phụ tải trên trục động cơ Mc.

M

Sai số  càng nhỏ nghóa là độ chính xác càng cao thì hệ càng tốt.
Nói chung các hệ bán tự động có độ chính xác không cao, đa số phương
hơn nhiều.

2. Phạm vi điều chỉnh

07

pháp điều chỉnh thông số có S lớn còn phương pháp điều chỉnh nguồn thì S nhỏ

ứng với phụ tải đã cho.
D

 MAX
 MIN

89

Phạm vi điều chỉnh D là tỉ số giữa tốc độ làm việc lớn nhất và nhỏ nhất

(1-3)

Tốc độ lớn nhất max thường bò giới hạn bởi độ bền cơ của phần quay của
động cơ. Một số máy điện một chiều tốc độ lớn nhất còn bò giới hạn bởi điều
kiện chuyển mạch vì khi tốc độ lớn tia lửa phát sinh trên cổ góp dưới các chổi
than sẽ mạnh lên và có thể không cho phép. Vì vậy thông thường chỉ cho phép
max (1-3)đm.
Tốc độ nhỏ nhất min trong dải điều chỉnh bò chặn bởi yêu cầu khắc phục
moment quá tải cho phép, bảo đảm độ chính xác điều chỉnh (s%).

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 11


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
Tốc độ cực đại trong dải điều chỉnh khi Mc = Mđm
 max =  o -

M dm

(1-4)



Với yêu cầu đảm bảo khả năng quá tải khi ta thấy đặc tính thấp nhất phải
có moment ngắn mạch bằng moment tải cực đại (hinh1-1).
M nm  M cMAX  K qt M dm

Trong đó: Kqt: Hệ số quá tải do máy gây ra.

0

C
max

min

M

K

0min



Mđm Mđm.Kqt
Hình 1_1

07

M

mức.
min = (Kqt.Mđm – Mđm)tg
Suy ra:

89

Từ hình trên ta có thể tính được tốc độ nhỏ nhất ứng với moment tải đònh
(1-5)

min = Mđm(Kqt - 1).1/
Từ (1-4) và (1-5) ta có:
D

 MAX

 MIN

0 

M dm

( K qt  1)


M dm





 * 1
K qt  1

(1-6)

Trong đó:

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 12


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
* 

 0 .



M dm

1
R  Rb*
*
u

Độ cứng tương đối của đặc tính cơ: *
Trường hợp máy sản xuất có yêu cầu cao về độ chính xác duy trì tốc độ thì
phải điều chỉnh D được xác đònh theo sai số tốc độ cho phép (scp) ứng với đường
đặc tính thấp nhất ta có:
 0 min   min


 0 min
 0 min

S cp 

(1-7)

Vì tốc độ làm việc được xác đònh tương ứng bởi tải đònh mức nên:
M dm

C

 



M dm

K

 0 MIN   MIN 



 MIN 

M

Thay vào phương trình (1-7)
1  S cp M dm
.
S cp


(1-8)

07

Từ (1-4) và (1-8) ta xác đònh được:

D

 MAX
 MIN

(  *  1).S cp

89

D

M 


 0  dm .S cp. 
 

(1  S cp ).M dm

(1-9)

1  S cp

3. Hiệu suất
Nếu bỏ qua các đại lượng tổn thất bất biến trong hệ thì phần tổn thất chủ
yếu sẽ nằm trong mạch phần ứng, nên hiệu suất của hệ là:


E.I u
P2


P1 E.I u  R.I u2


M .R

( K .) 2

(1-10)

Trong đó:
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 13


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
P2  E.I u  M . : Công suất đưa ra đầu trục
P1  P2  P  M . 

M 2 .R
*
: Công suất đưa vào

( K .) 2  *  R * .M *

Trong đó:
* 


0

M* 

M
M DM

R* 

1



*



R.M DM
 0 .( K .) 2

C

Ngoài tổn hao trong phần ứng còn có tổn thất trong các thiết bò biến đổi.

K

Khi đó hiệu suất của toàn hệ thống là:
 = ư +sc

M

Trong đó:

sc: hiệu suất của thiết bò biến đổi.

07

4. Hệ điều khiển

Hệ điều khiển tốc độ động cơ DC phân thành hai loại:
Hệ thống hở.

-

Hệ thống kín.

a. Hệ thống hở

89

-

Hệ thống hở còn gọi là hệ thống bán tự động, nó thực hiện nguyên tắc
khống chế cứng, tức là tín hiệu ra không cần đo lường để hồi tiếp chuyển về đầu
vào. Mọi sự biến đổi của tín hiệu ra không phản ánh vào thiết bò điều khiển.
Khối điều khiển

Bộ biến đổi

Động cơ DC

Hình 1_2: Sơ đồ khối của hệ thống hở.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 14


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

 Nguyên lý điều chỉnh
Đối với động cơ DC khi giữ điện áp phần ứng không đổi, ta thay đổi độ

rộng xung kích thì tốc độ của động cơ sẽ thay đổi và tránh được những biến động
lớn về gia tốc và động lực trong hệ.

+
Vi
-

Bộ
Đảo
Chiều

C

K

Hình1_3: Sơ đồ nguyên lý tổng quát.

Bộ biến đổi đảo chiều có nhiệm vụ thay đổi chiều điện áp đặt lên động cơ.

M

b. Hệ thống kín

Hệ thống kín còn gọi là hệ thống điều khiển tự động, nó thực hiện nguyên

07

tắc điều khiển có phản hồi, tức là tín hiệu ra được đo lường và phản hồi đến đầu
vào bộ điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển và thông qua bộ biến đổi điều
chỉnh lại tốc độ động cơ tương ứng với giá trò tín hiệu đặt.

89

Khối điều khiển

Bộ biến đổi

Động cơ DC

Phản hồi
Hình1_4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín.
Khi sử dụng hệ thống điều khiển bán tự động thường sai số tốc độ tónh
tương đối lớn do đặc tính cơ tự nhiên của động cơ thường gặp đều có độ cứng
không đủ lớn. Đặc biệt là khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản, độ cứng giảm hoặc
tốc độ không tải lý tưởng giảm. Vì vậy trong thực tế khi điều khiển động cơ
người ta thường dùng hệ kín để giảm sai số tốc độ và mở rộng dải điều chỉnh. Vì

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 15


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
sai số tónh của tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của động cơ nên biện pháp chủ yếu
dùng để ổn đònh hóa trong hệ là làm tăng độ cứng đặc tính cơ, muốn vậy thông
số điều chỉnh phải thay đổi tự động theo giá trò phụ tải sao cho đủ khả năng bù
trừ lượng sụt tốc do tải gây ra. Do đó người ta sử dụng các vòng hồi tiếp dòng
điện, tốc độ truyền động tự động vòng kín.
 Nguyên lý điều khiển tự động vòng kín
Trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đổi dấu điện áp

cung cấp phần ứng động cơ. Khi đó tốc độ làm việc của động cơ được điều chỉnh
nhờ thay đổi tốc độ không tải lý tưởng n0. Còn độ cứng của đặc tính cơ  được
giữ nguyên như hình vẽ:

C
n

M

K

W0min
wmin
w1’min

1’

M

89

Hình1_5

07

Mđm

Eb0 Eb1 Eb2

Giả sử các đặc tính của hệ có độ cứng là  và khi điều chỉnh đến tốc độ

min thì sai số tónh vượt quá giới hạn cho phép.
S

 0 MIN   MIN
 MIN

(1-11)

5. Khảo sát hệ điều chỉnh tốc độ động cơ DC theo vòng kín
Động cơ DC kích từ độc lập được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện,
điều khiển vòng hở không thoả mãn yêu cầu đặt ra về cơ cấu. Vì thế hệ thống
đòi hỏi yêu cầu chính xác cao nghóa là cần phải thay đổi góc kích trong quá trình
biến đổi tải, nên giải quyết bằng hệ thống điều khiển vòng kín.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 16


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

U
wđ

wt
-

Khối điều khiển

k

Bộ biến đổi



Động cơ DC

w

Hồi tiếp
Hình 1_6: Sơ đồ điều khiển vòng kín.
Khi moment tải thì tín hiệu đầu vào là:

C

t = đ + ht

K

Tín hiệu điều khiển (k) tăng làm thay đổi góc kích và làm tăng điện áp
phần ứng do đó làm tăng moment động cơ nên sự thay đổi tốc độ được giảm bớt

M

đáng kể và cứ như thế trong trạng thái quá độ mà giá trò moment động cơ và M 0
cân bằng, hay nói cách khác là hệ cứng tăng modul độ cứng đặc tính cơ.
Đây là vấn đề chủ yếu trong hệ kín.

07

Nhờ hệ điều khiển vòng kín có đặc điểm làm hệ truyền động có độ chính
xác cao, tác dụng nhanh, ảnh hưởng của thành phần nhiễu bò hạn chế, tính được
hàm truyền với ẩn số là Iư.

U u ( s )  Eu ( s )
1 U u ( s )  Eu ( s )

.
Ru  Lu ( s) Ru
1  S .Tu



Tư: Thời hằng của mạch phần ứng.
Tu 

 (s) 

89

I u ( s) 

Iu
Ru

J



(1-13)



M ( s)  M t ( s) 1 M ( s)  M t ( s)
 .
B  J .S

1  S .TM

với : TM 

(1-12)

(1-14)

: Hằng số cơ.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 17


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

6. Hàm truyền của động cơ kích từ độc lập
Iư

V

Ikt

+

+
-

+
-

-

Vkt

Hình 1_7: Sơ đồ tương đương của động cơ

C

Phương trình cân bằng điện áp
.I u  Lu .

K

U u  E  Ru



dI u
dt

(1-15)
(1-16)

M

E  K..

Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ.
M  M t  B. M  M t  B.  J .

(1-17)

07

d
dt

Trong đó:

(1-18)

M  K..

89

Từ các phương trình (2-15) đến (2-18) viết dưới dạng toán tử.
U u ( s )  Eu ( s )  Ru



.I u ( s )  s.I u ( s ).Lu

(1-19)

Eu (s)  K . dm . (s)

(1-20)

M (s)  M t (s)  B. (s)  s.J . (s)

(1-21)

M (s)  K . dm . (s)

(1-22)

từ phương trình (1-19) có quan hệ giữa tốc độ và điện áp phần ứng và
moment tải:
 ( s) 

G1 ( s)
G2 ( s )
U u (s) 
M t ( s) (1-23)
1  G1 ( s).H 1 ( s)
1  G2 ( s).H 2 ( s)

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 18

T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
Với
G1 ( s ) 


B.Ru

Ru



1
1
K ..
(1  s.Tu )
(1  s.TM ) B

K .
(1  s.Tu )(1  s.TM )



(1-25)

H1 (s)  K .
G2 ( s )  

(1-24)

1

B(1  s.Tu )

(1-26)

( K .) 2
H 2 ( s) 
Ru (1  s.Tu )


C

(1-27)

K

Nếu xét ở chế độ không tải lúc Mt = 0, thay (1-26) vào (1-23) ta được:
 ( s)

( K)  Ru
2



K .
.B(1  s.Tu )(1  s.TM )

(1-28)

M

I u ( s)



Ta thấy rằng Tu TM nên:

07

(1  s.Tu )(1  s.TM )  (1  s.TM )

Vậy (1-27) được viết lại là:
 ( s)

K .
K .

.
2
( K )  Ru B(1  s.TM ) ( K )  Ru B


1  s.
2

1
Ru

2
( K )  Ru

89

I u ( s)



(1-28)



B

TM

Đặt

Ru

TM 1

B


( K) 2  Ru

KM 

K .
( K)  Ru
2





B

TM

B

(1-29)
(1-30)

Vậy phương trình (1-28) được viết lại là:
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 19


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
 ( s)
U u ( s)

 ( s)





I u ( s)

KM
1  s.TM 1

(1-31)

KM 2
K

B(1  s.TM ) 1  s.TM

(1-32)

Với
KM 2 

K .
B

C

Mt(s)
Iu(s)

Uu(s)

Ru



(s)
K .

K

Eu(s)

1
(1  s.Tu )

1
B(1  s.TM )

07

M

K.

Hình 1_8: Sơ đồ cấu trúc của hệ kín

89

Sử dụng công thức (1-31) ta có:

I ( s)  ( s)
K
1  s.TM
I ( s)

 u .
 M .
U u ( s)  ( s) U u ( s) K M 2 1  s.TM 1

(1-33)

Đặt
K M1 

KM
B

2
K M 2 ( K .)  Ru



B

Vậy:
I u ( s)
1  s.TM
 K M1
U u ( s)
1  s.TM 1

Khi phân tích động cơ DC kích từ độc lập có thể phân tích thành hai khối
sau:
SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 20


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

Uu(s)

Iu(s)

K M 1 (1  s.TM )
1  s.TM 1

KM2
1  s.TM 1

(s)

Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá

IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢO CHIỀU QUAY ĐỘNG CƠ DÙNG
TRANSISTOR
1. Các phương pháp đảo chiều quay

C

Để đảo chiều động cơ có thể thiết kế hệ đảo chiều theo ba phương pháp

K

sau:

a. Đảo chiều dòng kích từ

M

Phương pháp này dùng một bộ biến đổi đơn trong mạch phần ứng và một
bộ tiếp điển đảo chiều trong mạch kích từ. Phương pháp này đơn giản về mặt
thiết bò, giá thành hạ, thuận tiện trong việc vận hành, bảo quản. Nhưng do quán
đến vài giây.

07

tính mạch từ của mạch kích từ lớn nên thời gian đảo chiều của động cơ có thể

89

b. Đảo chiều dòng phần ứng bằng một bộ biến đổi đơn và một bộ tiếp
điểm đảo chiều trong mạch phần ứng

Phương pháp này thời gian đảo chiều nhanh hơn phương pháp trên và sơ
đồ tương đối đơn giản. Nhược điểm của nó là phải dùng các tiếp điểm của mạch
động lực. Ta sử dụng quy luật điều khiển bộ biến đổi để đảm bảo đóng cắt tiếp
điểm khi dòng phần ứng gần bằng không, nhưng khi đó tác động của hệ thống
trong các quá trình quá độ phải bắt buộc diễn ra theo trình tự nhất đònh, do đó
làm tác động nhanh.
c. Đảo chiều cực tính điện áp trên mạch phần ứng dùng bộ biến đổi kép
Phương pháp này tuy phức tạp nhưng tránh được những nhược điểm của
hai phương pháp trên. Bộ biến đổi kép gồm hai bộ biến đổi đơn, một để tạo điện
áp thuận, một tương ứng với điện áp ngược. Tương ứng với hai chiều quay của

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 21


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
động cơ. Việc bố trí hai bộ biến đổi đơn thành bộ biến đổi kép được thực hiện
như sau:
Tùy theo giá trò điện áp k mà xung kích điều khiển cả hai bộ biến đổi
thay đổi. Như vậy một bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia sẽ
hoạt động trong chế độ nghòch lưu.
Ta có:
Ud = Ud1 – Ud2
Ud: Điện áp trung bình đặt lên động cơ.
Trong bộ biến đổi kép lý tưởng, điện áp ở đấu ra của mỗi bộ biến đổi bằng

C

với điện áp trên tải, còn dòng thì có thể chạy qua tải theo chiều phụ thuộc vào
khoá đảo chiều quay của động cơ.

K

2. Chế độ làm việc

a. Chế độ làm việc xác lập

M

Khi làm việc trong chế độ xác lập với điện áp điều khiển dương thì vận

tốc không đổi ứng với vận tốc nào đó. Lúc đó trong hai bộ biến đổi có một bộ

07

biến đổi làm việc tích cực cung cấp dòng cho tải, bộ còn lại trong trạng thái chờ
và không có tác dụng gì đối với tải.
b. Chế độ máy phát

89

Giả sử khi có một xung kích cho bộ biến đổi với một chuỗi xung có các
khoảng ton khác toff nên khi có xung kích thì dòng qua tải là tăng dần lên đến
điểm cuối của ton thì dòng qua tải giảm dần, lúc này là động cơ trả năng lượng về
lưới nên động cơ được xem như máy phát, đến khi động cơ được kích dẫn bởi
xung kế tiếp thì lúc đó dòng bắt đầu tăng lên.

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 22


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

Xung kích

Iư

Giản đồ xung kích

C

c. Đảo chiều quay động cơ

K

Để thay đổi chiều quay của động cơ ta cần đổi dấu điện áp quy đònh vận
tốc. Theo lý thuyết, vận tốc của động cơ không thể thay đổi tức thời được vì trong

M

động cơ còn có cuộn kháng do đó dòng Iư chưa giảm về không thì bộ biến đổi hai
đã được kích bởi khóa đảo chiều và dòng điện phần ứng lập tức đổi dấu và động
cơ ở chế độ hãm ngược. Lúc này bộ biến đổi hai làm việc tích cực còn bộ biến
trò xác lập.

89

07

đổi một ở trạng thái chờ và buộc động cơ phải quay theo chiều ngược lại đến già

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 23


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ

CHƯƠNG II
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC

I. Khái niệm
Điều khiển vò trí động cơ DC là một hệ thống điều khiển được sử dụng
rộng rãi hiện nay như điều khiển robot tay máy, cơ cấu ăn giao máy cắt gọt kim
loại, kính viễn vọng…công suất có thể từ hàng chục watt đến hàng trăm kw.
Chỉ tiêu chất lượng được quan tâm nhiều nhất trong cơ cấu này là độ tác

C

động nhanh, nó phản ánh qua giãn đồ tối ưu về tốc độ w(t), gia tốc a(t), vò trí (t).
Có thể điều khiển vò trí bằng các phuong pháp: dùng khâu hiệu chỉnh PID,

K

dùng logic mờ hay dùng các vòng phản hồi tốc độ.

II. Điều khiển vò trí dùng PID

M

Phương pháp này rất hay được dùng trong công nghiệp vì nó lấy ưu điểm
của từng khâu P, PI, PD.

07

1. Dạng liên tục của khâu PID
Cấu trúc của khâu PID gồm có:

89

Thành phần UP (t) là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trò

đặt.

Thành phần UI (t) là tích phân theo thời gian của sai số.
Thành phần UD (t) là đạo hàm theo thời gian của sai số.
Hàm điều khiển:

Ut (t) = U0 + k [e (t) +

1
de
e(t ' )d (t ' )  Td . ]

Ti
dt '

= U0 + UP (t)+ UI(t)+ UD(t)
Trong đó:
K là độ lợi của hàm điều khiển
Ti là tích phân theo thời gian
Td là đạo hàm theo thời gian

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 24


T.K. MÔ HÌNH CHIẾT CHAI DI ĐỘNG GVHD: Thầy HOÀNG MINH TRÍ
t’ là biến tích phân
Hàm điều khiển còn có thể biểu diễn dưới dạng biến đổi Laplace như sau:
U(s) -Uo (s) =.U(s)= UP(s)+ UI(s)+UD(s)

=

K.[1+1/Ti.s+Td.s] . E(s)

= K.[1+Tis + Ti.Td.s]E(s)/Tis
 Khâu PID viết ở dạng rời rạc:
Ta cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể được xác lập
bởi một sai phân có giới hạn ;Và tích phân qua việc lấy tổng.Chúng ta quan tâm
mỗi dạng ở một thời điểm khác nhau,với sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy

C

mẫu:

e(kh)=uc (kh) - y(kh)

K

Với h là chu kỳ lấy mẫu.

2. Chức năng cụ thể các thành phần trong PID

M

Khâu tỉ lệ (P) : Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ được đưa vào hệ thống
nhằm làm giảm sai số xác lập. Nhưng với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây

07

vọt lố và có thể không chấp nhận được với mạch động lực.

Khâu vi phân tỉ lệ (PD) : đưa vào hệ thống làm giảm độ vọt lố,đáp ứng ra
bớt nhấp nhô và hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh hơn.Hệ có sai số xác lập

89

bằng 0 với đầu vào hàm nấc và là hằng đối với đầu vào hàm dốc.
Khâu tích phân tỉ lệ (PI) : có mặt trong hệ thống làm triệt tiêu sai lệch
chuẩn.

Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ(PID) : kết hợp những ưu điểm của khâu
PI và PD ,có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt,khử chậm pha.Sự có mặt
của khâu PID ở vòng hồi tiếp có thể dẫn tới sự dao động trong hệ do đáp ứng quá
độ bò vọt lố bởi hàm dirac (t).

3. Cách tính KI, KP, KD
Theo nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler_Nichols: các hệ số KI,KP,KD

được

xác đònh từ L và T với L và T được xác đònh từ tiếp tuyến cuả quỹ đạo quá độ
của đầu vào như hình vẽ:

SVTH: ĐÀO THỊ DUY TRINH

Trang 25